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變壓器的制作原理

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變壓器的制作原理

瀏覽量:157   時間:2019-05-07

一、發電機中,不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈,均能在線圈中感應電勢,此兩種情況,磁通的值均不變,但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動,這是互感應的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應,變換電壓,電流和阻抗的器件。
變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件,當初級線圈中通有交流電流時,鐵芯(或磁芯)中便產生交流磁通,使次級線圈中感應出電壓(或電流)。
  變壓器由鐵芯(或磁芯)和線圈組成,線圈有兩個或兩個以上的繞組,其中接電源的繞組叫初級線圈,其余的繞組叫次級線圈。
  理想變壓器 
  不計一次、二次繞組的電阻和鐵耗, 
  其間耦合系數 K=1 的變壓器稱之為理想變壓器 
  描述理想變壓器的電動勢平衡方程式為 
  e1(t) = -N1 d φ/dt 
  e2(t) = -N2 d φ/dt 
  若一次、二次繞組的電壓、電動勢的瞬時值均按正弦規律變化, 
  則有 
  不計鐵心損失,根據能量守恒原理可得 
  由此得出一次、二次繞組電壓和電流有效值的關系 
  令 K=N1/N2,稱為匝比(亦稱電壓比)

                       

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.變壓器的結構簡介 
  1.鐵心 
  鐵心是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高,厚度分別為 0.35 mm\0.3mm\0.27 mm, 
  表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成 
  鐵心分為鐵心柱和橫片倆部分,鐵心柱套有繞組;橫片是閉合磁路之用 
  鐵心結構的基本形式有心式和殼式兩種 
  2.繞組 
  繞組是變壓器的電路部分, 
  它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成 
  變壓器的基本原理是電磁感應原理,現以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理:當一次側繞組上加上電壓ú1時,流過電流í1,在鐵芯中就產生交變磁通?1,這些磁通稱為主磁通,在它作用下,兩側繞組分別感應電勢é1,é2,感應電勢公式為:E=4.44fN?m 
  式中:E--感應電勢有效值 
  f--頻率 
  N--匝數 
  ?m--主磁通最大值 
  由于二次繞組與一次繞組匝數不同,感應電勢E1和E2大小也不同,當略去內阻抗壓降后,電壓ú1和ú2大小也就不同。 
  當變壓器二次側空載時,一次側僅流過主磁通的電流(í0),這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流í2時,也在鐵芯中產生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時,主磁通是不變的,一次側就要流過兩部分電流,一部分為激磁電流í0,一部分為用來平衡í2,所以這部分電流隨著í2變化而變化。當電流乘以匝數時,就是磁勢。 
  上述的平衡作用實質上是磁勢平衡作用,變壓器就是通過磁勢平衡作用實現了一、二次側的能量傳遞。
  變壓器技術參數 對不同類型的變壓器都有相應的技術要求,可用相應的技術參數表示.如電源變壓器的主要技述參數有:額定功率、額定電壓和電壓比、額定頻率、工作溫度等級、溫升、電壓調整率、絕緣性能和防潮性能,對于一般低頻變壓器的主要技述參數是:變壓比、頻率特性、非線性失真、磁屏蔽和靜電屏蔽、效率等.

A.電壓比:


  變壓器兩組線圈圈數分別為N1和N2,N1為初級,N2為次級.在初級線圈上加一交流電壓,在次級線圈兩端就會產生感應電動勢.當N2>N1時,其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高,這種變壓器稱為升壓變壓器:當N2<n1時,其感應電動勢低于初級電壓,這種變壓器稱為降變壓器.初級次級電壓和線圈圈數間具有下列關系:
  U1/U2=N1/N2
  式中n稱為電壓比(圈數比).當n<1時,則N1>N2,U1>U2,該變壓器為降壓變壓器.反之則為升壓變壓器.
  另有電流之比I1/I2=N2/N1
  電功率P1=P2
  注意上面的式子只在理想變壓器只有一個副線圈時成立
  當有兩個副線圈時P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,電流則須利用電功率的關系式去求,有多個時依此推類
  

B.變壓器的效率:


  在額定功率時,變壓器的輸出功率和輸入功率的比值,叫做變壓器的效率,即
  η=(P2÷P1)x100%
  式中η為變壓器的效率;P1為輸入功率,P2為輸出功率.
  當變壓器的輸出功率P2等于輸入功率P1時,效率η等于100%,變壓器將不產生任何損耗.但實際上這種變壓器是沒有的.變壓器傳輸電能時總要產生損耗,這種損耗主要有銅損和鐵損.
  銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗.當電流通過線圈電阻發熱時,一部分電能就轉變為熱能而損耗.由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成,因此稱為銅損.
  變壓器的鐵損包括兩個方面.一是磁滯損耗,當交流電流通過變壓器時,通過變壓器硅鋼片的磁力線其方向和大小隨之變化,使得硅鋼片內部分子相互摩擦,放出熱能,從而損耗了一部分電能,這便是磁滯損耗.另一是渦流損耗,當變壓器工作時.鐵芯中有磁力線穿過,在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流,由于此電流自成閉合回路形成環流,且成旋渦狀,故稱為渦流.渦流的存在使鐵芯發熱,消耗能量,這種損耗稱為渦流損耗.
  變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關系,通常功率越大,損耗與輸出功率就越小,效率也就越高.反之,功率越小,效率也就越低.
  

C變壓器的功率


  變壓器鐵心磁通和施加的電壓有關。在電流中勵磁電流不會隨著負載的增加而增加。雖然負載增加鐵心不會飽和,將使線圈的電阻損耗增加,超過額定容量由于線圈產生的熱量不能及時的散出,線圈會損壞,假如你用的線圈是由超導材料組成,電流增大不會引起發熱,但變壓器內部還有漏磁引起的阻抗,但電流增大,輸出電壓會下降,電流越大,輸出電壓越低,所以變壓器輸出功率不可能是無限的。假如你又說了,變壓器沒有阻抗,那么當變壓器流過電流時會產生特別大電動力,很容易使變壓器線圈損壞,雖然你有了一臺功率無限的變壓器但不能用。只能這樣說,隨著超導材料和鐵心材料的發展,相同體積或重量的變壓器輸出功率會增大,但不是無限大!
   

怎樣判別電源變壓器參數


  
  電源變壓器標稱功率、電壓、電流等參數的標記,日久會脫落或消失。有的市售變壓器根本不標注任何參數。這給使用帶來極大不便。下面介紹無標記電源變壓器參數的判別方法。此方法對選購電源變壓器也有參考價值。 
  一、識別電源變壓器 
  1. 從外形識別 常用電源變壓器的鐵芯有E形和C形兩種。E形鐵芯變壓器呈殼式結構(鐵芯包裹線圈),采用D41、D42優質硅鋼片作鐵芯,應用廣泛。C形鐵芯變壓器用冷軋硅鋼帶作鐵芯,磁漏小,體積小,呈芯式結構(線圈包裹鐵芯)。 
  2. 從繞組引出端子數識別 電源變壓器常見的有兩個繞組,即一個初級和一個次級繞組,因此有四個引出端。有的電源變壓器為防止交流聲及其他干擾,初、次級繞組間往往加一屏蔽層,其屏蔽層是接地端。因此,電源變壓器接線端子至少是4個。 
  3. 從硅鋼片的疊片方式識別 E形電源變壓器的硅鋼片是交*插入的,E片和I片間不留空氣隙,整個鐵芯嚴絲合縫。音頻輸入、輸出變壓器的E片和I片之間留有一定的空氣隙,這是區別電源和音頻變壓器的最直觀方法。至于C形變壓器,一般都是電源變壓器。 
  二、功率的估算 
  電源變壓器傳輸功率的大小,取決于鐵芯的材料和橫截面積。所謂橫截面積,不論是E形殼式結構,或是E形芯式結構(包括C形結構),均是指繞組所包裹的那段芯柱的橫斷面(矩形)面積。在測得鐵芯截面積S之后,即可按P=S2/1.5估算出變壓器的功率P。式中S的單位是cm2。 
  例如:測得某電源變壓器的鐵芯截面積S=7cm2,估算其功率,得P=S2/1.5=72/1.5=33W剔除各種誤差外,實際標稱功率是30W。 
  三、各繞組電壓的測量 
  要使一個沒有標記的電源變壓器利用起來,找出初級的繞組,并區分次級繞組的輸出電壓是最基本的任務。現以一實例說明判斷方法。 
  例:已知一電源變壓器,共10個接線端子。試判斷各繞組電壓。 
  第一步:分清繞組的組數,畫出電路圖。 
  用萬用表R×1擋測量,凡相通的端子即為一個繞組。現測得:兩兩相通的有3組,三個相通的有1組,還有一個端子與其他任何端子都不通。照上述測量結果,畫出電路圖,并編號。 
  從測量可知,該變壓器有4個繞組,其中標號⑤、⑥、⑦的是一帶抽頭的繞組,⑩號端子與任一繞組均不相通,是屏蔽層引出端子。 
  第二步:確定初級繞組。 
  對于降壓式電源變壓器,初級繞組的線徑較細,匝數也比次級繞組多。因此,像圖4這樣的降壓變壓器,其電阻最大的是初級繞組。 
  第三步:確定所有次級繞組的電壓。 
  在初級繞組上通過調壓器接入交流電,緩緩升壓直至220V。依次測量各繞組的空載電壓,標注在各輸出端。如果變壓器在空載狀態下較長時間不發熱,說明變壓器性能基本完好,也進一步驗證了判定的初級繞組是正確的。 
  四、各次級繞組最大電流的確定 
  變壓器次級繞組輸出電流取決于該繞組漆包線的直徑D。漆包線的直徑可從引線端子處直接測得。測出直徑后,依據公式I=2D2,可求出該繞組的最大輸出電流。式中D的單位是mm。


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變壓器的原理


  圖1是變壓器的原理簡體圖,當一個正弦交流電壓U1加在初級線圈兩端時,導線中就有交變電流I1并產生交變磁通ф1,它沿著鐵芯穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路。在次級線圈中感應出互感電勢U2,同時ф1也會在初級線圈上感應出一個自感電勢E1,E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近,從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗,并且變壓器本身也有一定的損耗,盡管此時次級沒接負載,初級線圈中仍有一定的電流,這個電流我們稱為“空載電流”。
  如果次級接上負載,次級線圈就產生電流I2,并因此而產生磁通ф2,ф2的方向與ф1相反,起了互相抵消的作用,使鐵芯中總的磁通量有所減少,從而使初級自感電壓E1減少,其結果使I1增大,可見初級電流與次級負載有密切關系。當次級負載電流加大時I1增加,ф1也增加,并且ф1增加部分正好補充了被ф2所抵消的那部分磁通,以保持鐵芯里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗,可以認為一個理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據需要通過改變次級線圈的圈數而改變次級電壓,但是不能改變允許負載消耗的功率


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